28.01.2021
Свойства и характеристики фторопласта
Фторопласт создан в 1938 году. Он очень быстро стал популярным и востребованным материалом, который используется в самых разных отраслях – от медицины до военной промышленности. А все благодаря уникальным для полимеров свойствам. Чем же так хорош этот пластик? Предлагаем подробное описание свойств и физико-химических характеристик фторопласта, его преимуществ и недостатков.
Общие данные
Под названием «фторопласт» чаще всего имеется в виду Ф-4 (это самый распространенный и недорогой из всех фторопластов). Его химическая формула – (-C2F4-)n. В мире полимер известен по аббревиатуре PTFE (политетрафторэтилен, у нас ПТФЭ) и по многим фирменным названиям, которые прижились и стали общими (тефлон, галон, флубон, алгофлон, хостафлон, полифлон, гафлон, сорефлон).
Чистый фторопласт – это белый непрозрачный пластик, гладкий и скользкий на ощупь. Основные свойства, которые отличают его от других пластмасс:
- высочайшая химическая инертность – устойчивость к кислотам, щелочам, нефтепродуктам, растворителям (выдерживает даже кипячение в «царской водке»);
- устойчивость к воздействию водяного пара, полная неспособность к водопоглощению;
- стойкость к воздействию высоких и низких температур (начинает плавиться при 327 °С, но не переходит в текучее состояние).
Если дополнить эти характеристики еще и высокими диэлектрическими и антифрикционными показателями фторопласта, можно увидеть, что такое сочетание полезных свойств не встречается ни в одном другом материале. Но даже его можно улучшить. Поэтому сейчас, кроме чистого полимера, производят фторопласт с наполнителями (добавляют в композиции графит, стекловолокно, порошки металлов).
Популярные марки фторопласта Ф-4 (и область их применения):
- ПН (электротехника, изделия повышенной надежности);
- О (изделия общего назначения);
- Т (толстостенные изделия);
- А (изостатическое и компрессионное прессование при производстве изделий точного размера);
- С (специальные изделия высокой надежности).
Выпускают материал в виде готовых изделий, но чаще в форме заготовок – листов, пленок, втулок, стержней. Подробнее о разных марках полимера и особенностях его производства смотрите в нашей статье здесь.
Преимущества ПТФЭ:
- малая пористость;
- практически нулевое водопоглощение;
- низкая адгезия;
- низкий коэффициент трения;
- химическая инертность;
- биологическая инертность;
- огнестойкость;
- высокая электрическая прочность;
- сохранение свойств даже при критических изменениях температуры;
- низкая электропроводность (материал – диэлектрик, отличный электроизолятор);
- простота механической обработки.
Фторопласт-4
Чаще всего при упоминании фторопластов имеют ввиду именно фторопласт-4. Это наиболее распространенный и дешевый в производстве вариант пластмассы, известный в Европе под несколькими названиями. В США его называют «Тефлон» или «Галон», в Великобритании – «Флубон», в Германии – «Гостафлон ТФ», в Японии – «Полифлон», в Италии – «Алгофлон», во Франции – «Сорефлон» или «Гафлон».
Его изготавливают и продают как в «чистом» виде, так и с наполнителями: графитом, металлическими порошками и стекловолокном. Добавки позволяют усилить определенные свойства, приспосабливая полимер к определенным нуждам. В продажу обычно выпускают заготовки в форме дисков, стержней, пластин и штулок.
Фторопласт-4 обладает отличными термостойкими и антифрикционными свойствами, является прекрасными изоляторами тока и легко выдерживает даже агрессивную химическую среду. Это позволяет использовать материал при создании первичной обмотки высоковольтных проводов, токопроводящей и нагревательной жилы, нагревательного кабеля, при изготовлении прокладок, шайб, шлангов для гидросистем и для оборудования теплого пола.
Физико-химические свойства
| Характеристика | Значение |
| Плотность, г/см3 | 2,14–2,26 |
| Теплоемкость, кал/г·°С | 0,25 |
| Коэффициент теплового линейного расширения 1·10-5 °С | 8–25 |
| Теплопроводность, ккал/м, ч·°С | 0,2 |
| Температура стеклования, °С | -120 |
| Температура плавления, °С | 327 |
| Минимальная рабочая температура, °С | -269 |
| Максимальная рабочая температура, °С | 260 |
| Водопоглощение за 24 часа | 0 |
| Теплостойкость по Вика, °С | 110 |
| Термостабильность при 415 °С, ч, не менее | 110 |
| Температура разложения, °С | Более 415 |
| Потеря массы при 420 °С за 5 часов, % за 3 часа | 0,2 |
| Атмосферостойкость | превосходная |
| Химическая стойкость | Все минеральные и органические кислоты, щелочи, органические растворители, окислители, газы |
Пластик не смачивается водой и не поддается ее воздействию даже при длительных испытаниях. Он также устойчив к поглощению других веществ, на нем не образуются отложения.- Отлично переносит эксплуатацию в тропических условиях, не повреждается грибками и бактериями.
- Химическая и биологическая инертность дают возможность использовать ПТФЭ в медицине и пищевой промышленности. Он совершенно не опасен, в обычных условиях не взаимодействует с физиологическими жидкостями и не выделяет вредных соединений.
- Температурная устойчивость позволяет фторопласту сохранять стабильность и работоспособность в диапазоне -269…+260 °С.
- Химически разрушить материал можно, только используя расплавы щелочных металлов, элементарный фтор, трехфтористый хлор (при высокой температуре).
- Необычайно высокая химическая стойкость фторопластов – это результат высокого экранирующего эффекта, которым обладают электроотрицательные атомы фтора.
- Полимер способен пропускать ультрафиолетовые лучи, он устойчив к окислению и гидролизу.
- Высокая устойчивость к старению позволяет предоставлять длительный гарантийный срок хранения фторопласта без снижения качества – 20 лет и более.
Газопроницаемость ПТФЭ
| Характеристика | Значение |
| Воздух | 1,1·10-9 |
| Водород | 6,3·10-9 |
| Кислород | 2,3·10-9 |
| Азот | 0,7·10-9 |
| Двуокись углерода | 4,8·10-9 |
Плавление и горение
- При температуре плавления (327 °С) материал теряет кристаллическую структуру, становится аморфным и прозрачным. Но вплоть до начала термического разложения (415 °С) он остается в высокоэластичном состоянии, не переходя в вязкотекучее.
- Материал горит только при доступе кислорода и наличии открытого огня (как только вытащить его из пламени, он потухнет). Фторопласт при горении не расплавляется, а обугливается и выделяет очень мало тепла – в 10 раз меньше, чем горящий полиэтилен. Во время горения в обычных условиях выделяются соединения фтора, который вреден для живых организмов (но в вакууме их выделения не происходит).
- Полимер начинает разлагаться при температуре выше 415 °С.
Цена
Цена одного килограмма листового Ф-4 формируется зависимо от:
- марки материала;
- технических свойств;
- производителя;
- условий, объема поставки.
Следует отметить, что оптовая стоимость товара, как правило, на 10 — 20% ниже розничной.
Реализация фторлона Ф-4 (пластины, стержни) по оптовой цене составляет от 700 руб. до 800 руб. Стоимость вторсырья стартует от 400 руб. Модифицированный сплав оценивается в 800 — 900 рублей за кг и более, зависимо от состава, модифицирующих добавок.
Оптовые цены на фторопласты других марок ниже, чем у Ф-4. А именно:
- Ф-2. 500 — 550 руб/кг;
- Ф-3. 500 — 700 руб/кг.
Фторопласт в виде порошка — товар довольно редкий. Разница стоимости его килограмма у различных производителей достаточно велика. Средняя стоимость 1-го килограмма продукта составляет от 1000 руб. до 1100 руб.
Если для полуфабрикатов при формировании цены определяющим показателем выступает вес изделия, то цена конечного продукта формируется в зависимости от его сложности.
Цены на индивидуальные изделия, изготовленные по чертежам заказчика, значительно выше, чем для изделий массового производства.
Следует обратить внимание, что рынок пластмасс, содержащих фтор, наводнен дешевым товаром, производимым в Китае. По данным РБК за 2016 год на рынок поступило около 66% импортного фторлона. Значительный объем этого товара на поверку оказывается продуктом вторичной переработки (от 30% до 70%). Существует теория, в соответствии с которой у материалов, состоящих из 35% первичного сырья, и при 100-процентном первичном составе, одинаковый коэффициент трения. Это дает возможность реализовать продукцию вторичной переработки.
При статических нагрузках разница между фальсифицированной и качественной деталью некритична. Но при динамических нагрузках фальсификат быстро выходит из строя, может стать причиной поломки всего механизма.
Механические свойства
| Характеристика | Значение |
| Предел прочности при растяжении, кгс/см2 | 200–300 |
| Удлинение при разрыве, %: | 300–350 |
| относительное | 350–500 |
| остаточное | 250–350 |
| Предел прочности при сжатии, кгс/см2 | 120 |
| Модуль упругости при сжатии, кгс/см2 | 7000 |
| Предел прочности при статическом изгибе, кгс/см2 | 110–140 |
| Модуль упругости при изгибе (при 200 °С), кгс/см2 | 4700 |
| Удельная ударная вязкость, кгс·см/см2 | более 100 |
| Твердость по Бриннелю, кгс/мм2 | 3–4 |
| Твердость по Шору при 20 °С: | – |
| шкала С | 85–87 |
| шкала D | 55–59 |
| Твердость по Роквеллу (шкала I) | 80–95 |
| Коэффициент Пуассона | 0,45 |
| Коэффициент трения по стали | 0,2 |
- Низкая поверхностная адгезия материала – это следствие его исключительно низкой поверхностной энергии.
- При определенных условиях и без того низкий коэффициент трения может снижаться до 0,02.
- Одно из важных эксплуатационных преимуществ фторопласта – возможность легко обрабатывать его механически. Он режется, сверлится, шлифуется.
Физико-механические свойства фторопласта зависят от температуры. Вот так, например, меняются показатели нагрузки, необходимой, чтобы вызвать деформацию сжатия (в таблице приведены величины нагрузок в зависимости от температуры, кгс/см2):
| Деформация, % | -50 °С | 0 °С | 25 °С | 50 °С | 100 °С | 150 °С | 200 °С |
| 1 | 203 | 157 | 62 | 49 | 31 | 17,5 | 11 |
| 2 | 304 | 210 | 92 | 66 | 39 | 27 | 20 |
| 3 | 350 | 236 | 105 | 77 | 48 | 33 | 27 |
| 4 | 374 | 251 | 120 | 85 | 59 | 39 | 31 |
| 5 | 390 | 262 | 127 | 92 | 62 | 44 | 35 |
А вот так изменяется предел текучести при растяжении:
| Температура, °С | 25 | 50 | 75 | 100 | 150 | 200 | 250 |
| Предел текучести, кгс/см2 | 42,4 | 106,9 | 83,5 | 67,2 | 46,6 | 35,5 | 28,6 |
История
В 1936 году ученый-химик Рой Планкеттом из американской организации Kinetic Chemicals обнаружил, что газ тетрафторэтилена, который находился в баллонах под высоким давлением, преобразовался в порошок. Свойства порошка оказались уникальными. В 1941 году полимер, получивший название «тефлон», был запатентован. Это способствовало развитию корпорации, которая впоследствии стала частью химического концерна Du Pont.
В Советском Союзе о чудо-материале узнали в период 2-ой мировой войны при разборке танка производства США. Среди металлических деталей башенного механизма было обнаружено белое уплотнительное кольцо из фторопласта.
Работы по синтезированию советских фторопластов стартовали в 1947 году в Ленинградском НИИПП. А уже в 1949 году в СССР открылось опытное предприятие по производству фторопласта-4. Затем в середине пятидесятых годов получили Ф-3, сополимеры Ф-40, фторопласт-42 и Ф-3М.
Производство
Производство состоит из трех этапов:
- Получение хлордифторметана. Для этого атомы галогена меняют на фтор, при этом должна присутствовать реакция Свартса;
- Получение тетрафторэтилена при помощи пиролиза хлордифторметана;
- На последнем этапе проводится полимеризация тетрафторэтилена, в результате чего появляется фторопластовый порошок.
На сегодняшний день производится несколько видов фторопластового порошка. Их маркируют по среднему размеру частиц.
Модификации Ф4
Наряду с Ф4 широко используются и его многочисленные модификации. В качестве примера можно взять некоторые из них:
- Содержащий 20% кокса коксофторопласт Ф4К20 при меньшей плотности обладает большей твердостью, износостойкостью и механической прочностью на сжатие, что позволяет изготавливать из него поршневые кольца для компрессоров.
- Коксофторопласт Ф4К15М5 с 5% добавкой дисульфида молибдена и повышенной износостойкостью пригоден для работы в узлах и опорах подшипников скольжения.
- До 15% стекловолокна содержат модификации стеклофторопластов Ф4С15 и Ф4С15М5. Благодаря эластичности и износостойкости материалы используются в качестве уплотнений, а композиция Ф4С15М5 с добавкой 5% дисульфида молибдена и во влажной среде.
- Самосмазывающаяся антифрикционная композиция Ф4КС2 с легирующей добавкой кобальта синего пригодна для работы в парах трения с бронзой, резиной и многими сплавами и в агрессивных средах.
Фторопласт обладает уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими использовать его во множестве отраслей промышленности, а также в медицине и бытовом хозяйстве.
Применение
Фторлон Ф-4, зачастую называемый «тефлон», самый востребованный в данном спектре пластмасс. Именно этот полимерный материал применяют для придания пищевой посуде антипригарных свойств. Кроме того Ф-4, прочие фторопласты эксплуатируют в:
- легкой промышленности. Там тонким тефлоновым слоем покрывают поверхность спортивной одежды и обуви;
- медицинской отрасли. Так как фторопласт экологичен, не вреден для человеческого организма — из него производят имплантаты, емкости для хранения продуктов крови, упаковки для медицинских препаратов. Еще одна сфера применения — стоматология;
- производстве машин, механизмов. Здесь основная сфера применения — детали, устойчивые к трению, испытывающие динамические нагрузки (подшипники, кольца, сальники, элементы двигателей, прочее). Детали из фторлонов хорошо показали себя во время использования в вакууме, агрессивных средах, при низких температурах;
- электро- и радиотехнике. Фторопласты — это изоляторы либо проводники электричества. Из них производят кабели, части реле, выключатели, другое;
- химической отрасли. Здесь используют такое свойство фторопластов как инертность к кислотам и щелочам. Поэтому из него изготавливают лабораторную посуду, емкости для хранения, перевозки, трубопроводы, агрегаты колонного типа, прокладки. То есть те изделия, которые находятся в непрерывном контакте с агрессивными веществами;
- пищевой отрасли. Основное направление — нанесение антипригарных и прочих покрытий. Так обрабатывают сковороды, формы для выпечки, емкости для хранения пищевых продуктов.
Также фторлон служит футеровочным материалом для труб, насосов, из него производят шланги, трубы различных размеров и толщин.
Поставщик: ООО РТГ «МетПромСтар»
Прогресс и промышленность
Оргстекло: виды, применение, свойства и характеристики
В настоящее время плотность, вес фторопласта, его стойкость к агрессивным факторам, безопасность для человека сделали этот материал совершенно незаменимым для промышленности и быта. Обыватель редко задумывается, из чего изготовлена большая часть окружающей его техники, а ведь сырьем послужил именно тефлон. Так, в электронике плотность фторопласта сделала его оптимальным материалом для конструирования высококачественного оборудования. Кроме того, этот материал обладает способностью блокировать ток, что делает его область применения еще более широкой. Можно применять тефлон в работах над проводкой, при конструировании конденсаторов и иных деталей электронных систем, в том числе очень высокой сложности, а также тех, где нужна повышенная стойкость и надежность.
Если обратить внимание на современные медицинские приборы, то можно заметить, что и тут фторопласт применяется очень активно. В частности, он служит материалом для производства имплантатов и обширно эксплуатируется стоматологами
Незаменим фторопласт и для офтальмологов. Именно это вещество применяют в процессе изготовления кардиостимуляторов и кровеносных сосудов для имплантации в человеческий организм. Фторопласт совершенно безопасен для человека, что и делает возможности по его применению столь широкими.
